朱洪雨，張東來，王子才，呂曉明（.哈爾濱工業(yè)大學航天學院，黑龍江哈爾濱50080；2.深圳航天科技創(chuàng)新研究院，廣東深圳58055；.哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院，廣東深圳58055；.深圳市航天新源科技有限公司，廣東深圳58057）

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混合動力客車用大功率無刷直流電機電動及再生制動研究

朱洪雨1，2，張東來3，王子才1，呂曉明4
（1.哈爾濱工業(yè)大學航天學院，黑龍江哈爾濱150080；
2.深圳航天科技創(chuàng)新研究院，廣東深圳518055；
3.哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院，廣東深圳518055；
4.深圳市航天新源科技有限公司，廣東深圳518057）

摘要：按照混合動力客車的要求，設(shè)計了以DSPIC30F3011作為中央處理器的大功率無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計為轉(zhuǎn)矩控制方式，為混合動力客車提供啟動、助力和制動轉(zhuǎn)矩，并且在制動時將能量回饋給超級電容。介紹了該大功率無刷直流電機控制系統(tǒng)的構(gòu)成特點和設(shè)計方法，給出了系統(tǒng)框圖，并進行了電動和再生制動原理分析，實驗結(jié)果表明，該驅(qū)動系統(tǒng)可以實現(xiàn)對電動轉(zhuǎn)矩控制并且能夠回饋能量至超級電容，可以很好地滿足混合動力汽車的驅(qū)動要求。

關(guān)鍵詞：混合動力客車；無刷直流電動機；能量回饋

汽車數(shù)量的進一步增加，給交通的發(fā)展帶來一系列問題?；旌蟿恿﹄妱悠囀悄壳敖鉀Q低排放、大幅度地降低污染最有效最現(xiàn)實的一種環(huán)保交通工具?；旌蟿恿﹄妱悠囃瑫r擁有電機驅(qū)動和內(nèi)燃機驅(qū)動，對電機驅(qū)動系統(tǒng)不僅要求具有較高的重量比功率，而且既能作電動機運行，還能作發(fā)電機運行。

永磁無刷直流電動機的優(yōu)點是效率高，啟動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強，高速操作性能好，無電刷，結(jié)構(gòu)簡單牢固，免維護或少維護，體積小質(zhì)量輕，但會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，電流損耗大，工作噪聲大。所以研究高效的大功率無刷直流電機驅(qū)動及再生制動對混合動力是很有意義的。

1　驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成

混合動力車用無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)由超級電容，三相IGBT逆變器，控制電路組成。電動時由超級電容為直流無刷電機提供能量，當剎車時通過該驅(qū)動系統(tǒng)回收動能至超級電容。所以此系統(tǒng)需要同時滿足電動和再生制動兩種工況的需求。該驅(qū)動系統(tǒng)的組成原理見圖1。

圖1　電機驅(qū)動系統(tǒng)圖Fig.1 The system diagram of motor drive

電機采用的是大功率永磁汽車直流無刷電機，電機額定功率100 kW，額定電壓360 V，額定電流277 A，電機極對數(shù)2。

2　電動運行及再生制動基本原理

混合動力客車中有3種實際工況，分別是：電動工況，助力工況，再生制動工況。前兩者需要電動機工作在電動的狀態(tài)。再生制動工況將剎車時候動能轉(zhuǎn)換為電能存儲在超級電容之內(nèi)，實現(xiàn)能量的回饋。

2.1電動運行基本原理及實現(xiàn)過程

如圖1，電動時采取二二導通方式，二二導通方式是每次使2個開關(guān)管同時導通。

忽略導通管管通壓降，可以由簡化模型推導出電機轉(zhuǎn)矩為

式中：ω為轉(zhuǎn)子機械角速度。

對V1進行PWM控制，就可控制電流的平均值，從而控制平均電磁轉(zhuǎn)矩。電機內(nèi)置有霍耳位置傳感器。可根據(jù)霍耳傳感器信息進行換相。換相時刻如圖2上半部分所示。

對母線電流進行閉環(huán)從而控制電機輸出轉(zhuǎn)矩，利用PI控制算法，以占空比作為PI控制器輸出，實現(xiàn)對母線電流的閉環(huán)，系統(tǒng)控制框圖見圖3。

圖2　電動和制動狀態(tài)按霍耳換相順序Fig.2 Hoare commutation order of motor-driving and braking

圖3　電動運行及能量回饋電流閉環(huán)控制Fig.3 Diagram of closed-loop controlled system using motor-driving and energy-feedback technology

可以通過上位機給定主控電路轉(zhuǎn)矩信息對電流進行閉環(huán)，進而達到轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的目的。

2.2再生制動基本原理及實現(xiàn)過程

在發(fā)電狀態(tài)時，將上半橋的IGBT全關(guān)閉，這樣，因續(xù)流二極管的存在，其等效電路轉(zhuǎn)變?yōu)?個半控整流電路，如圖4所示。

圖4　等效發(fā)電運行原理圖Fig.4 Schematic diagram of equivalent electricity generating circuit

分析電路可見，在再生制動運行過程中，電路相當于Boost拓撲。以A相為例進行說明：上橋臂V1，V3，V5一直處于關(guān)斷狀態(tài)，在1個開關(guān)周期內(nèi)，在V4導通時，電機A相反電勢為正，B相為負。電流通過V4，V6反并聯(lián)二極管進行續(xù)流，存儲能量。在V4關(guān)斷時，電流流過V1反并聯(lián)二極管，超級電容組V2反并聯(lián)二極管。這樣計算出輸出電壓為

式中：UAB為超級電容充電電壓；D為下橋臂占空比；eA，eB為A，B兩相反電勢。

制動運行開關(guān)管換相如圖2所示。從式（2）可知，控制D的大小，即可使超級電容兩端的電壓UAB≥UD，以PI閉環(huán)控制的方式自動調(diào)整PWM占空比D，滿足UAB電壓不超過超級電容允許的最高充電電壓，并滿足發(fā)電電流不超過超級電容允許的最大充電電流?？刂苹仞侂娏飨喈斢诳刂齐姍C的制動轉(zhuǎn)矩，并實現(xiàn)恒流對超級電容進行充電?？刂平Y(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。給定電流為負值，代表制動轉(zhuǎn)矩，和電動狀態(tài)相對應。這樣便可以通過給定電流代數(shù)值來進行電動和制動。

3　電機啟動過程分析

電機在尚未轉(zhuǎn)動過程中速度為0，根據(jù)反電勢E=CeΦen。所以初始反電勢也為0，這時需要電機輸入最小電流產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。試驗證明，電機剛剛起步時刻采到霍耳位置后按照圖2進行換相可以保證電機可靠啟動，產(chǎn)生最大力矩。另外，電機在剛剛啟動的過程中，由于轉(zhuǎn)速較低，反電動勢還沒有建立，所以加在電機某兩相的電壓不可太大。

本文利用了一種自升頻的軟啟動算法，所有啟動過程通過主控板軟件實現(xiàn)。電機啟動以后，電機轉(zhuǎn)速較低，根據(jù)

式中：E為反電勢；CeΦe為常數(shù)；D為占空比；UDC為母線電壓；Z為電機兩相阻抗。

本文在每個換相時刻使占空比上升一個臺階，速度越快，反電勢E越大，換相時間越短，占空比單位時間增量越大，這樣可以保證電機電流穩(wěn)步上升。實現(xiàn)了自升頻啟動的過程，等待電機電流到了某一標定值，將切換到PI算法，對母線電流進行閉環(huán)，實現(xiàn)可靠啟動。

4　實驗結(jié)果與分析

在電動運行時，對母線電流進行觀測。負載恒定下電流達到穩(wěn)態(tài)時母線電流波形如圖5所示。

從圖5中可以看出，在對母線電流閉環(huán)的電動運行過程中，母線電流基本穩(wěn)定。軟啟動達到了很好的效果，電流是逐漸升高的，超調(diào)不大，反映了良好的動態(tài)特性。在對不同母線電流閉環(huán)的情況下實際母線電流值如表1所示。

圖5　25 A電流閉環(huán)母線電流波形Fig.5 Waveform of bus current with 25 A reference bus current closed-loop

表1　不同母線電流閉環(huán)母線電流值Tab.1 Table of closed-loop bus current with different reference

從表1中可以看出，電流閉環(huán)達到了很好的穩(wěn)態(tài)精度。電流基本可以跟隨給定。可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。

在制動運行時，對母線電流進行閉環(huán)。實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩制動。利用超級電容作為供電源，當電機運行一段時間超級電容電壓會由于輸出功率而下降，在達到一定速度以后進行再生制動，這樣回饋的能量會為超級電容充電。使超級電容電壓升高，電機電動到某一速度值之后自動進行能量回饋，然后對超級電容電壓測量。

在Boost占空比限制為90%的情況下，對于不同的回饋電流控制的性能比較如表2所示。

表2　不同回饋電流能量回饋實驗數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental data when different feedback current

從表2中可以看出，母線電流越大，反饋給超級電容的能量越多，停車時間越短。

電動時間越長，電機電動結(jié)束時刻轉(zhuǎn)速越高，則電動結(jié)束時刻超級電容兩端電壓越低，在電動結(jié)束時刻不同超級電容兩端電壓下能量回饋的實驗結(jié)果如表3所示。

從表3中可以看出，轉(zhuǎn)速越高，反電勢越高，在固定Boost占空比限制下回饋的能量越多。

表3　不同轉(zhuǎn)速下能量回饋效率比較Tab.3 Efficiency comparison with different rotating speed

電機能量回饋主要是通過1個Boost電路把電機反電勢泵升超過超級電容電壓，實現(xiàn)對超級電容充電。所以放開占空比限制有利于將低速下相對應的低反電勢能量回饋給超級電容。在不同Boost占空比下對能量回饋效率所得實驗結(jié)果如表4所示。

表4　不同Boost占空比下能量回饋實驗數(shù)據(jù)Tab.4 Experimental data comparison when different Boost duty cycle

從表4可以看出，Boost占空比越高，越有利于將低轉(zhuǎn)速下能量回饋給超級電容，效率越高。

在95%Boost占空比的情況下回饋電流10 A的波形如圖6所示。

綜上，在電動狀態(tài)下，通過控制母線電流可以達到控制電機電動轉(zhuǎn)矩的目的，在回饋狀態(tài)下，制動轉(zhuǎn)矩，飛輪轉(zhuǎn)速，Boost占空比限制對電機能量回饋效率有重要影響。

圖6　制動電流10 A時母線電流波形Fig.6 Wave form of bus current while brake current equals to 10 A

5　結(jié)論

本文設(shè)計的混合動力客車用大功率永磁無刷直流汽車電機具有電動和能量回饋（再生制動）復合控制功能，可以可靠地實現(xiàn)電動運行和再生制動運行，適應混合電動客車驅(qū)動系統(tǒng)的使用要求。

參考文獻

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High-power BLDC Drive and Regenerative Braking for HEV

ZHU Hongyu1，2，ZHANG Donglai3，WANG Zicai1，Lü Xiaoming4
（1. Aerospce college，Harbin Institute of Technology，Harbin 150080，Heilongjiang，China；
2. Shenzhen Academy of Aerospace Technology，Shenzhen 518055，Guangdong，China；
3. Shenzhen Graduate School，Harbin Institute of Technology，Shenzhen 518055，Guangdong，China；
4. Shenzhen Aerospace New Power Technology Co.，Ltd.，Shenzhen 518057，Guangdong，China）

Abstract：According to the demand of hybrid electric vehicle（HEV），a high- power permanent magnetic brushless DC motor drive system based on DSPIC 30F3011 had been developed. To give the HEV any magnitude torque within rated torque for starting aid and braking，the drive system was implemented with direct torque control. To obtain the optimal energy utilization，the drive system controlled the regenerated energy feeding to the super capacitor. The structure peculiarity and design method of this high-power brushless DC motor control system were introduced. The system structure was presented and the principle concerned was analyzed. The experimental results proved that this drive system realizes the direct control of torque and the feedback of energy to super capacitor，and that the drive system satisfies the drive requirement of the HEV bus.

Key words：hybrid electric vehicle；brushless DC motor；energy regeneration

中圖分類號：TM33

文獻標識碼：A

作者簡介：朱洪雨（1985-），男，博士，工程師，Email：zhuhongyu505@163.com

收稿日期：2015-09-15